CN104637316A - 相邻分体式路段信号控制人行横道的协调信号控制方法 - Google Patents

Abstract

一种相邻分体式路段信号控制人行横道的协调信号控制方法。对于单个分体式路段信号控制人行横道，根据行人的时间距离关系，建立了行人最大过街时间计算方法；对于城市干道沿线的相邻分体式路段信号控制人行横道，根据机动车的时间距离关系，在保证机动车双向绿波效果的前提下，以最小化任意人行横道、任意步行方向的行人最大过街时间的最大值为目标，采用整数非线性规划方法，建立了协调信号配时优化模型。本发明的模型结构简单，待定参数少且易于确定，可以为机动车和行人提供更加多样的交通运行方式，更加灵活地调节机动车和行人的通行时间资源供求关系，具有良好的实用性和广泛的适用性，可以在工程实践中推广应用。

Description

相邻分体式路段信号控制人行横道的协调信号控制方法

技术领域

本发明属于交通工程技术领域，涉及一种相邻分体式路段信号控制人行横道的协调信号控制方法。

背景技术

下文中涉及的符号解释如下：

人行过街设施包括平面过街设施和立体过街设施。人行横道是最为常见的平面过街设施，通常设置于交叉口和路段。

当城市干道沿线的信号控制交叉口相距较远时，应在行人过街需求相对集中的地点设置路段人行横道。为了规范交通运行秩序、减少交通事故隐患，宜对机动车交通量和(或)行人交通量较大的路段人行横道实施交通信号控制。在城市商业区和居住区，干道沿线存在连续多个路段信号控制人行横道的情形具有一定的普遍性。

普通信号控制交叉口处，通行权的竞争主体是机动车，行人可以在机动车的“保护”下享有通行权，信号配时方法以优化机动车的通行利益为基本目的，以机动车的通行时间资源需求(即流率比)为主要计算依据，以行人的通行时间资源需求(即行人过街时间)为约束条件之一。

路段信号控制人行横道处，通行权的竞争主体是机动车和行人，信号配时方法以优化机动车和行人的通行利益为基本目的，以机动车和行人的通行时间资源需求为计算依据。但是，由于机动车与行人的交通运行特性不同，它们的通行时间资源需求的描述方式也不同，普通信号控制交叉口的信号配时方法无法应用于路段信号控制人行横道。

对于相邻路段信号控制人行横道的协调信号配时问题，通常采用相邻普通信号控制交叉口的协调信号配时方法进行建模和求解。行人过街安全岛的设置给路段信号控制人行横道的道路空间布局和交通运行组织带来了新的变化，它们为创新相邻路段信号控制人行横道的协调信号配时方法创造了机遇。

(1)道路空间布局

根据《城市道路交叉口规划规范》的要求，人行横道长度超过16米时(不包括非机动车道)，应在人行横道中央规划设置宽度不小于1.5米的行人过街安全岛。设置行人过街安全岛后，整条人行横道被分为两段。从道路空间布局的角度，将人行横道分为两种形式：⑴一体式，即行人能够在不改变步行方向的情况下通过整条人行横道，如图1a所示；⑵分体式，即行人通过第一段人行横道后，必须在安全岛上改变步行方向，方能通过另一段人行横道，如图1b所示。

与一体式人行横道相比，分体式人行横道的步行距离较长，机动车停止线间距和安全岛面积均较大，同时，安全岛的边缘应设置实体隔离栏，以防止行人违规穿越机动车道。

(2)交通运行组织

行人二次过街是指信号控制人行横道两端的行人至多需要获得两次通行权即能通过整条人行横道的交通组织方式。

对于具有行人过街安全岛的路段信号控制人行横道，除布设2组机动车信号灯之外，还应在人行横道两端布设2组行人信号灯、在行人过街安全岛上布设2组行人信号灯，从而实施同步二次过街控制或独立二次过街控制。

同步二次过街控制旨在使得人行横道两端的行人快速通过整条人行横道。4组行人信号灯归属于相位F1；2组机动车信号灯归属于相位K1。不允许机动车相位和行人相位同时获得通行权。一体式人行横道的步行距离短，适宜实施同步二次过街控制。机动车和行人的交通运行方式，如图2a所示。

独立二次过街控制旨在充分利用安全岛积蓄行人、灵活调节机动车和行人的通行时间资源供求关系。安全岛一侧的2组行人信号灯和另一侧的2组行人信号灯分别归属于相位F1、F2；2组机动车信号灯分别归属于相位K1、K2。相位K1与相位K2或F2同步获得通行权；相位K2与相位K1或F1同步获得通行权；一旦切断相位K1或F1的绿灯时间，相位F1或K1将获得通行权；一旦切断相位K2或F2的绿灯时间，相位F2或K2将获得通行权。分体式人行横道的安全岛面积大，适宜实施独立二次过街控制。机动车和行人的交通运行方式，如图2b所示。

发明内容

本发明的技术方案如下：

一种相邻分体式路段信号控制人行横道的协调信号控制方法，包括行人最大过街时间计算方法和协调信号配时优化模型两部分。

1.行人最大过街时间计算方法

行人最大过街时间是指人行横道一端的行人自到达人行横道边缘至通过整条人行横道所需的时间，是衡量分体式信号控制人行横道的行人过街舒适度的重要指标。分体式路段信号控制人行横道的行人最大过街时间包括人行横道边缘的等待时间、第1段人行横道的步行时间、安全岛的步行时间、安全岛边缘的等待时间和第2段人行横道的步行时间。1条人行横道具有2个步行方向，因此，具有2个行人最大过街时间。

以分体式路段信号控制人行横道m为例，在以绝对时间构建的时空坐标系下，将任意步行方向的时间距离关系分为6种情形，如图3、4所示。考虑到现实道路交通环境的多样性，必须通过必要的取模操作，将相对于绝对时间的绿灯启亮和结束时刻转化为相对于公共信号周期时间的绿灯启亮和结束时刻，方能建立行人最大过街时间的一般计算方法，见公式1～8。

${{\mathrm{WT}}_1}^m=\mathrm{mod}[{\mathrm{BG}}_{F2}^m-({\mathrm{BG}}_{F1}^m+T_{F1}^m+T_R^m),C]---\left(3\right)$

${\mathrm{WT}}_2^m=\mathrm{mod}[{\mathrm{BG}}_{F1}^m-({\mathrm{BG}}_{F2}^m+T_{F2}^m+T_R^m),C]---\left(4\right)$

$a_1=\mathrm{mod}({\mathrm{BG}}_{F1}^m+T_{F1}^m+T_R^m-{\mathrm{BG}}_{F2}^m,C)---\left(5\right)$

$a_2=\mathrm{mod}({\mathrm{BG}}_{F2}^m+T_{F2}^m+T_R^m-{\mathrm{BG}}_{F1}^m,C)---\left(6\right)$

$b_1=\mathrm{mod}({\mathrm{BG}}_{F1}^m+G_{F1}^m+T_{F1}^m+T_R^m-{\mathrm{BG}}_{F2}^m,C)---\left(7\right)$

$b_2=\mathrm{mod}({\mathrm{BG}}_{F2}^m+G_{F2}^m+T_{F2}^m+T_R^m-{\mathrm{BG}}_{F1}^m,C)---\left(8\right)$

2.协调信号配时优化模型

以相邻的分体式路段信号控制人行横道为研究对象(如图5所示)，在保证机动车双向绿波效果的前提下，以最小化任意人行横道、任意步行方向的行人最大过街时间的最大值为目标，采用整数非线性规划方法，建立一种协调信号配时优化模型，见公式(9)。

建模假设包括：C、为正整数； $G_{\mathrm{Ki}}^1=G_{\mathrm{Ki}}^2;{\mathrm{BG}}_{K1}^1=0.$

决策变量包括：C；

已知条件包括：D₁、D₂、V_P,d、V_V,d、BEmin₁、BEmin₂；Cmax、 intg(Ki,Fi)^m、intg(Fi,Ki)^m。

$\min \left[\max ({\mathrm{CT}\max }_1^1,\mathrm{CT}{\max }_2^1,{\mathrm{CT}\max }_1^2,{\mathrm{CT}\max }_2^2)\right]$

决策变量受到公式(9)的约束，其中，1是最大公共信号周期时间；2是机动车相位的最小绿灯时间；3是机动车相位的设计饱和度；4是下游协调相位的初始排队消散时间边界值：5是最小绿波带宽率；6、7、8、9、10分别给出了下游协调相位的初始排队消散时间、绿波带宽率、安全岛的步行时间、机动车停止线之间的设计行程时间、机动车相位的绿灯时间、机动车相位和行人相位的绿灯启亮时刻等信号配时参数的计算方法；11～14是对研究对象和建模假设的体现。

下游协调相位的初始排队消散时间边界值：以车行方向1为例，根据机动车的时间距离关系(如图6所示)，若上游协调相位的车队头车在到达下游协调相位的停止线之前受到红灯期间排队车辆的阻滞而减速停车，紧随车队头车的车辆将减速停车或缓行，远离车队头车的车辆可能以设计车速通过下游协调相位的停止线。因此，在上游协调相位的车队头车到达下游协调相位的停止线之前，保证下游协调相位具有一定的初始排队消散时间是形成机动车绿波效果的重要前提。

最小绿波带宽率：绿波带宽率，即任意车行方向的绿波带宽与上游协调相位的绿灯时间的比值。在下游协调相位具有一定的初始排队消散时间的前提下，绿波带宽等于下游协调相位的绿灯结束时刻减去上游协调相位的车队头车以设计车速行进至下游协调相位停止线的时刻。主要车行方向的绿波带宽率应大于等于次要车行方向。

本发明的模型结构简单，待定参数少且易于确定，可以为机动车和行人提供更加多样的交通运行方式，更加灵活地调节机动车和行人的通行时间资源供求关系，具有良好的实用性和广泛的适用性，可以在工程实践中推广应用。。

附图说明

图1为路段人行横道的道路空间布局。图中：(a)一体式；(b)分体式。

图2为路段人行横道的交通运行方式。图中：(a)同步二次过街控制；(b)独立二次过街控制。

图3为步行方向1的时间距离关系。图中：(a)～(f)分别对应于情形1-6。

图4为步行方向2的时间距离关系。图中：(a)～(f)分别对应于情形1-6。

图5为对象路段。

图6为任意车行方向的时间距离关系(以车行方向1为例)。图中：(a)初始排队消散时间不足的情形；(b)初始排队消散时间充足的情形。

具体实施方式

某一双向通行的城市主干道具有6条机动车道，拟在道路沿线的一定距离内设置2处分体式路段信号控制人行横道。车行方向1为机动车的主要方向(见图5)。

道路空间条件包括：

⑴D₁＝D₂＝100m,150m,200m,250m,300m；

$\left(2\right)=D_R^1=D_R^2=10m.$

交通需求条件包括：

$\left(1\right)Q_{K1,d}^1=Q_{K1,d}^2=1201\mathrm{pcu}/h,Q_{K2,d}^1=Q_{K2,d}^2=1590\mathrm{pcu}/h;\left(2\right)S_{K1}^1=S_{K2}^1=S_{K1}^2=S_{K2}^2=5400\mathrm{pcu}/h;$

$\left(3\right)=X_{K1,d}^1=X_{K2,d}^1=X_{K1,d}^2=X_{K2,d}^2=0.9;$ ⑷V_P，d＝1.2m/s，V_V，d＝50km/h；

⑸BEmin₁＝0.7，BEmin₂＝0.4。

信号控制条件包括：

⑴Cmax＝100s； $\left(2\right){G\min }_{K1}^1={G\min }_{K2}^1={G\min }_{K1}^2={G\min }_{K2}^2=15s;$

$\left(3\right)=G_{F1}^1=G_{F1}^2=20s,G_{F2}^1=G_{F2}^2=15s;\left(4\right)T_R^1=T_R^2=8.33s,T_{F1}^1=T_{F2}^1=T_{F1}^2=T_{F2}^2=9.58s;$

$\left(5\right){\mathrm{TT}}_1={\mathrm{TT}}_2=7.2s,10.8s,14.4s,18s,21.6s;\left(6\right)\mathrm{Tm}{\mathrm{in}}_{K1,\mathrm{QC}}^1={T\min }_{K2,\mathrm{QC}}^2=7s;$

⑺intg(Ki,Fi)¹＝intg(Ki,Fi)²＝5s，intg(Fi,Ki)¹＝intg(Fi,Ki)²＝9s；

利用Lingo 11求解协调信号配时优化模型，得到协调信号配时方案如表1所示：

表1协调信号配时方案

Claims (1)

1.一种相邻分体式路段信号控制人行横道的协调信号控制方法，

包括行人最大过街时间计算方法和协调信号配时优化模型两部分，其特征在于：

(1)行人最大过街时间计算方法

行人最大过街时间是指人行横道一端的行人自到达人行横道边缘至通过整条人行横道所需的时间；分体式路段信号控制人行横道的行人最大过街时间包括人行横道边缘的等待时间、第1段人行横道的步行时间、安全岛的步行时间、安全岛边缘的等待时间和第2段人行横道的步行时间；1条人行横道具有2个步行方向，有2个行人最大过街时间；建立行人最大过街时间计算方法，见公式1～8；

${\mathrm{WT}}_1^m=\mathrm{mod}[{\mathrm{BG}}_{F2}^m-({\mathrm{BG}}_{F1}^m+T_{F1}^m+T_R^m),C]---\left(3\right)$

${\mathrm{WT}}_2^m=\mathrm{mod}[{\mathrm{BG}}_{F1}^m-({\mathrm{BG}}_{F2}^m+T_{F2}^m+T_R^m),C]---\left(4\right)$

$a_1=\mathrm{mod}({\mathrm{BG}}_{F1}^m+T_{F1}^m+T_R^m-{\mathrm{BG}}_{F2}^m,C)---\left(5\right)$

$a_2=\mathrm{mod}({\mathrm{BG}}_{F2}^m+T_{F2}^m+T_R^m-{\mathrm{BG}}_{F1}^m,C)---\left(6\right)$

$b_1=\mathrm{mod}({\mathrm{BG}}_{F1}^m+G_{F1}^m+T_{F1}^m+T_R^m-{\mathrm{BG}}_{F2}^m,C)---\left(7\right)$

$b_2=\mathrm{mod}({\mathrm{BG}}_{F2}^m+G_{F2}^m+T_{F2}^m+T_R^m-{\mathrm{BG}}_{F1}^m,C)---\left(8\right)$

(2)协调信号配时优化模型

对于相邻的分体式路段信号控制人行横道，在保证机动车双向绿波效果的前提下，以最小化任意人行横道、任意步行方向的行人最大过街时间的最大值为目标，采用整数非线性规划方法，建立一种协调信号配时优化模型，见公式(9)；

决策变量受到公式(9)的约束，其中，1是最大公共信号周期时间；2是机动车相位的最小绿灯时间；3是机动车相位的设计饱和度；4是下游协调相位的初始排队消散时间边界值：5是最小绿波带宽率；6、7、8、9、10分别给出了下游协调相位的初始排队消散时间、绿波带宽率、安全岛的步行时间、机动车停止线之间的设计行程时间、机动车相位的绿灯时间、机动车相位和行人相位的绿灯启亮时刻等信号配时参数的计算方法；11～14是对研究对象和建模假设的体现；

下游协调相位的初始排队消散时间边界值：根据机动车的时间距离关系，若上游协调相位的车队头车在到达下游协调相位的停止线之前受到红灯期间排队车辆的阻滞而减速停车，紧随车队头车的车辆将减速停车或缓行，远离车队头车的车辆可能以设计车速通过下游协调相位的停止线；因此，在上游协调相位的车队头车到达下游协调相位的停止线之前，保证下游协调相位具有一定的初始排队消散时间是形成机动车绿波效果的重要前提；

最小绿波带宽率：绿波带宽率，即任意车行方向的绿波带宽与上游协调相位的绿灯时间的比值；在下游协调相位具有一定的初始排队消散时间的前提下，绿波带宽等于下游协调相位的绿灯结束时刻减去上游协调相位的车队头车以设计车速行进至下游协调相位停止线的时刻；主要车行方向的绿波带宽率应大于等于次要车行方向。